液体流量标准装置中开式换向器测量误差实验研究

马龙博 郑建英 赵建亮

(浙江省计量科学研究院，浙江 杭州 310013)

液体流量标准装置中开式换向器测量误差实验研究

马龙博 郑建英 赵建亮

(浙江省计量科学研究院，浙江 杭州 310013)

针对液体流量标准装置中开式换向器对流量测量带来的误差问题，分析了开式换向器换入/换出时间差作为换向器不确定度来源的不合理性。根据开式换向器实际工作时换向挡板与计时器配合的实际情况，提出将换向挡板位置作为换向器的一个不确定度来源，并采用改变换向挡板位置的方法进行了试验验证，试验流量为14.0 m3/h。结果表明，提出将换向挡板位置作为换向器的一个不确定度来源是合理的。

液体流量标准装置 换向器 流量测量 不确定度 测量误差 流量模型

0 引言

开式换向器是液体流量标准装置中的重要部件，一般将换向器换入/换出行程差(换入/换出时间之差)、换入/换出重复性误差作为换向器的主要不确定度来源[1～8]。

通常情况下，调整换向器继电器换入和换出排气口大小可将换入/换出行程差逐渐缩小直至接近于零。实际使用中，换向器引入的不确定度仍然较大(即使在换入/换出重复性引入的不确定度很小的情况下)。因此，将换入/换出行程差作为换向器的一个不确定度来源还存在一定缺陷，有必要对换向器不确定度来源进行重新深入研究。

本文首先提出换向挡板在换入/换出行程上的位置作为开式换向器的一个不确定度来源，并对换向挡板位置变化在流量测量中引入的测量误差进行了试验研究，取得了较好的研究结果。

1 换向速度对不确定度影响

1.1 开式换向器结构

开式换向器的结构图如图1所示。

图1 开式换向器结构图

当气动执行机构推动分流器由左侧向右侧移动时，喷嘴喷出的水流由旁通管流入工作量器，称为开式换向器换入，并将右侧称为换入侧。当气动执行机构推动分流器由右侧向左侧移动时，喷嘴喷出的水流由工作量器流入旁通管，称为开式换向器换出，并将左侧称为换出侧。气动执行机构推动分流器分别向右侧、向左侧移动一次即可完成一个换入/换出换向周期。

1.2 对应的换向流量模型

假定换向挡板位于换入/换出行程的中间位置，换向器喷嘴流速分布是均匀的，则开式换向器的一个换入/换出换向周期对应的原理性换向流量数学模型如图2所示。

图2 开式换向器换向流量模型

由图2可以看出，开式换向器的换入/换出过程可以包括如下几个阶段。

①t0～t10阶段，在该阶段换向器开始换入，喷嘴喷出的水流由旁通管逐渐流入工作量器。此时计时器并未计时。该过程流入工作量器的水的累积量用A表示。

②t10～t20阶段，在该阶段换向器逐渐完全换入，计时器由t10位置处开始计时，喷嘴喷出水流逐渐完全流入工作量器。该过程流入工作量器的水流累积量用B表示。

③t20～t30阶段，在该阶段由喷嘴喷出的水流完全进入工作量器，计时器接续t10～t20阶段继续进行连续计时。该过程流入工作量器的水流累积量用G表示。

④t30～t40阶段，在该阶段换向器开始换出，喷嘴喷出的水流由工作量器逐渐流入旁通管，计时器接续t20～t30阶段继续进行连续的计时，该过程流入工作量器的水流累积量用E表示。

⑤t40～t50阶段，在该阶段换向器逐渐完全换出，计时器在时刻t40停止计时，且喷嘴喷出的水流也逐渐完全流入旁通管。该过程流入工作量器的水流累积量用F表示。

根据对换向器换入/换出换向周期的分析可以看出，该换向周期中既包括换向计时部分，也包括换向不计时部分。因此本文定义换向计时部分为换向器换入/换出计时周期。该周期包括换向器换入时间T1(即图2所示中的t10～t20)和换出时间T2(即图2所示中的t30～t40)，一般情况下，可通过调整换向器继电器排气孔将T1和T2调整到非常接近的数值，即T1≈T2。

同时,根据对换向器换入/换出过程的分析知道，在换向器换向的整个换入/换出过程中，实际流入工作量器的水流累积量为Q=A+B+G+E+F，计时时间段为t10～t40。因此可以得到换向器换向周期内的平均流量为q=Q/(t40-t10)。该流量即是通常采用的标准装置的实际流量。

理论上，管道中的标准流量应该为：q1=(B+C+G+D+E)/(t40-t10)。图2所示流量模型中，A和C、D和F是对称的，故A=C，D=F，因此有：A+B+G+E+F=B+C+G+D+E，即A+F=C+D，所以Q=B+C+G+E+D，q=q1。由此看出，在换向挡板位于换入/换出行程的中心，喷嘴流速分布均匀的假设下，通常采用的标准装置的实际流量与理论上的标准流量是相等的。

1.3 换向速度对不确定度影响

为了更好地研究开式换向器换入/换出速度对开式换向器不确定度的影响，假定换向挡板位于换入/换出行程中心位置，换向器喷嘴处水流的流速分布是均匀的，调整换向器换入速度为换出速度的1/l，则换向器的流量模型可由图3来表示。由于换入速度为换出速度的1/l，则换入时间变为换出时间的l倍，即lT1≈T2，且lT1和T2分别对应于图3中的t10～t20和t30～t40。

图3 调整速度后的换向器流量模型

由图3可得到以下结论。

① 因换向器换出速度未变化，故换向器换出时的流量模型与图2相比未发生变化。

② 因换入速度变慢，导致了换入时间变长，即换入时间变为调整换入速度前的l倍，这一变化直接影响A、B和C增大。

③ 尽管A、B和C增大，但A与C仍是对称的，故A=C,进而可知q=q1仍然成立。由此看出q与q1的等量关系不随换向器换入速度的变化而变化，也就是不随换入时间的变化而变化。同样的，q与q1的等量关系不随换向器换出速度的变化而变化，也就是不随换出时间的变化而变化。

④ 调整换向器换出速度为换入速度的1/l，可得到与上述分析相同的结论。

⑤ 根据上述分析可以知道，换向器换向对装置带来的误差与换向器换入、换出时间无关，因此以换向器换入/换出时间之差作为换向器的一个不确定度来源是不合理的。

为了更好地研究换向器带来的不确定度，本文提出了换向挡板位置作为开式换向器的一个主要来源，并进行了误差试验研究。

2 试验装置及条件

为验证“换向挡板位置为开式换向器的一个主要来源”，本文对开式换向器换向挡板位置改变时带来的测量误差进行了试验。试验装置示意图如图4所示，主要由动力设备、水源稳压设备、标准流量计，前直管段、试验段、后直管段、背压管段、开式换向器及工作量器等九部分组成。试验工质为水，试验中水由水泵导入水源稳压装置，经过稳压装置稳定后，经过一个足够长的直管段，进入试验段，再经过一个足够长的后直管段及背压管段，通过双分流器开式换向器进入称重量器。在试验段安装有被检电磁流量计，准确度等级为0.5级，具有脉冲输出。试验管路内径D=50 mm，水的密度为998 kg/m，试验温度为常温。

图4 试验装置示意图

3 试验结果分析

采用改变开式换向器换向挡板位置的方法，在流量为14 m3/h条件下，对换向挡板分别位于换入侧与换入/换出行程中心的距离为1/4×换入/换出行程、换出侧与换入/换出行程中心的距离为1/4×换入/换出行程及换向器换入/换出行程中心位置时，换向器引入的流量测量误差进行了试验，结果如表1所示。

表1 换向挡板位置改变的试验结果

由表1可得到以下结论。

① 换向挡板位于换入侧与换入/换出行程中心的距离为1/4×换入/换出行程时，开式换向器对电磁流量计进行检定试验的平均相对误差为0.84%。换向挡板换出侧与换入/换出行程中心的距离为1/4×换入/换出行程时，开式换向器对电磁流量计进行检定试验时的平均相对误差为0.24%。换向挡板位于换向器换入/换出行程中心位置时，开式换向器对电磁流量计进行检定试验时的平均相对误差为0.49%。上述情况说明，开式换向器对流量计进行检定试验时，换向挡板的位置将会对流量计相对示值误差产生较大影响。位于换入侧时，检定试验得到的流量计相对示值误差将会增大;位于换出侧时，检定试验得到的流量计相对示值误差将会减小。

② 流速分布不均匀可以等同为换向挡板位置的改变。因此,流速分布不均匀时，开式换向器同样会对被检定流量计计量性能造成较大的影响。

③ 根据表1中给出的换向挡板位于不同位置时检定得到的流量计平均相对误差，并以换向挡板位于换入/换出中心位置时为基数(即为零)，可以计算得到换向挡板分别位于换入侧与换入/换出行程中心的距离为1/4×换入/换出行程、换出侧与换入/换出行程中心的距离为1/4×换入/换出行程及换向器换入/换出行程中心位置时换向器引入的误差,如表2所示。

表2 换向器引入的误差

由表2可以看出,换向挡板位于换入侧与换入/换出行程中心的距离为1/4×换入/换出行程距离时，试验得到的换向器引入的误差和理论计算得到的换向器引入的误差分别为0.35%和0.29%。这一情况说明换向挡板位置是导致换向器带来测量误差的一个重要因素，验证了本文提出的换向挡板位置为开式换向器不确定度的一个主要来源。

4 结束语

本文在分析和研究目前液体流量标准装置中开式换向器不确定度评定方法存在的局限性的基础上，分析了开式换向器换入/换出时间差作为换向器不确定度来源的不合理性。

本文根据开式换向器实际工作时换向挡板与计时器实际配合情况，提出将换向挡板位置作为换向器不确定度的一个不确定度来源，并进行了试验验证。试验结果表明，本文提出的换向挡板位置作为换向器不确定度的一个不确定度来源是合理的，具有很好的推广应用价值。

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Experimental Research on the Measurement Error Caused by Open Type Commutator in the Liquid Flow Calibration Facilities

In liquid flow standard facilities, the open type commutators may cause error in flow measurement, aiming at this problem, the unreasonableness of considering the time difference between IN/OUT of the open type commutator as a source of uncertainty of the commulator is analyzed. In accordance with the practical coordination situation of the damper and timer in commutator while operating, the concept of considering the position of damper as a source of uncertainty is proposed, and the experimental verification by using the method of changing damper position is conducted under the flow rate of 14.0 m3/h. The result indicates that the concept proposed is reasonable.

Liquid flow calibration facilities Commutator Flow measurement Uncertainty Measurement error Flow model

浙江省质量技术监督系统重大基金资助项目(编号：20100103)。

马龙博(1975-)，男，2007年毕业于浙江大学控制科学与工程专业，获博士学位，高级工程师；主要从事流量计量技术方面的研究。

TH71/89

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201504016

修改稿收到日期：2014-10-08.